鄭秋容，王　輝

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院, 西安 710077)

引　言

衛(wèi)星通信的頻段大部分集中在C，Ku，Ka甚至V波段，現(xiàn)代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)不同頻段間的頻率轉(zhuǎn)換的設(shè)備[1-2]。然而，傳統(tǒng)的電學(xué)變頻系統(tǒng)由于調(diào)制帶寬、電磁干擾、體積重量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的限制，無法在未來大容量、多用戶的衛(wèi)星載荷上使用[3]。幸運(yùn)的是，光學(xué)技術(shù)可以有效解決電學(xué)系統(tǒng)面臨的問題，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)多頻段間的相互變頻[4]。

近年來，人們提出了很多關(guān)于實(shí)現(xiàn)變頻的方法[5-11]，但這些方案都關(guān)注于實(shí)現(xiàn)單一頻率向另一個(gè)單一頻率的變換，而無法實(shí)現(xiàn)多頻段信號(hào)的同時(shí)產(chǎn)生。光頻梳技術(shù)的出現(xiàn)，提供了新的變頻思路，使得這個(gè)問題得以有效的解決[12-15]。參考文獻(xiàn)[14]中提出的方法具有很大的啟發(fā)性。在該方案中，首先同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的載波，其中一個(gè)載波通過接收到的射頻(radio frequency，RF)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生頻率間隔與RF信號(hào)頻率相同的光頻梳。另一個(gè)載波通過本振(local，LO)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生頻率間隔與LO信號(hào)頻率相同的光頻梳。通過濾波器濾出所需的兩個(gè)邊帶，并進(jìn)行拍頻，可以得到相應(yīng)頻率差的微波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)變頻。然而該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

本文中提出一種更加簡(jiǎn)單的基于雙光頻梳的變頻方法，可以通過一個(gè)頻率，同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)頻段的信號(hào)。值得一提的是，兩個(gè)光頻梳中心頻率間的頻率差取決于所接收到的信號(hào)，這使得整個(gè)系統(tǒng)更加靈活可變。

1　原理和模型

如圖1所示，由激光器輻射出的光信號(hào)可表示為：

Ec(t)=Ecexp(j2πfct)

(1)

式中，Ec和fc分別表示載波信號(hào)的幅度和頻率。系統(tǒng)接收到的微波射頻信號(hào)為:Vs(t)=Vscos(2πfst)，其中Vs是射頻信號(hào)的幅度，fs是射頻信號(hào)的頻率。通過雙驅(qū)動(dòng)馬赫-曾德爾調(diào)制器(dual-driven Mach-Zehnder modulator，D-MZM)對(duì)光載波進(jìn)行調(diào)制。調(diào)整該調(diào)制器中的直流偏置點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)單邊帶(single sideband，SSB)調(diào)制。經(jīng)過Jacobi-Anger展開，輸出信號(hào)的表達(dá)式為：

2J1(ms)cos[2π(fc+fs)]

(2)

式中,ms=πVs/Vπ是D-MZM的調(diào)制系數(shù)，Vπ是調(diào)制器的半波電壓，J1和J0代表貝塞爾展開的系數(shù)。在小信號(hào)條件下，1階以上的邊帶可以被忽略。從(2)式中可以看出，經(jīng)過SSB調(diào)制，載波和+1階邊帶被保留下來。

Fig.1　Schematic diagram of multiband frequency generation

光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating， FBG)的中心頻率與載波信號(hào)的頻率相同。調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過環(huán)形器和FBG之后，由于FBG本身的濾波特性，將載波信號(hào)反射回去，而+1階信號(hào)通過。由此，載波信號(hào)進(jìn)入到下支路，+1階信號(hào)進(jìn)入上支路。在上下兩支路中，各有一個(gè)由雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器(dual-parallel Mach-Zehnder modulator，DP-MZM)組成的光頻梳(optical frequency comb，OFC)產(chǎn)生器(OFC generator 1和OFC generator 2)[15]。OFC1由本振信號(hào)VLO1(t)=Vm,1cos(2πfLO1t)驅(qū)動(dòng)，OFC2由另一個(gè)本振信號(hào)VLO2(t)=Vm,2cos(2πfLO2t)驅(qū)動(dòng)。其中，Vm,1和Vm,2分別表示兩個(gè)本振信號(hào)的幅度，fLO1和fLO2表示兩個(gè)本振信號(hào)的頻率。

上支路產(chǎn)生的OFC1中的每一根頻梳可表示為:

fOFC1=fc+fs+ifLO1

(3)

式中，參量i(1≤i≤n)表示各個(gè)頻梳(光邊帶)相對(duì)于載波的階數(shù)，n是產(chǎn)生出光頻梳的最高階數(shù)。與此相同，下支路同樣也產(chǎn)生出光頻梳信號(hào)，各個(gè)頻梳可表示為:

fOFC2=fc+ifLO2

(4)

兩路信號(hào)在3dB耦合器的作用下，耦合成一路信號(hào)，頻譜示意圖如圖2所示，其中fout,i是第i對(duì)光邊帶之間的頻率差。

Fig.2　Schematic illustration of multiband signal generation

為了保證每對(duì)頻梳能夠準(zhǔn)確地落入波分復(fù)用器中的各個(gè)濾波器的頻帶內(nèi)，fLO1和fLO2都需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。滿足以下條件:

(5)

式中，dBW是波分復(fù)用器(wavelength division multiplexing，WDM)的帶寬。濾出的各對(duì)頻梳在光電探測(cè)器(photo-detector，PD)的作用下，得到相應(yīng)的頻率，從而達(dá)到變頻的目的:

fout,i=fs+i|fLO1-fLO2|

(6)

2　仿真結(jié)果與分析

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文中只能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。如圖3所示，通過軟件OPTISYSTEM 7.0搭建該變頻系統(tǒng)。由激光器輻射出的的光信號(hào)具有1552.52nm的中心波長(zhǎng)，該信號(hào)首先被引入到D-MZM中進(jìn)行SSB調(diào)制。D-MZM的消光比設(shè)置為20dB，半波電壓為4V。從圖3中的B點(diǎn)位置波形可以看出，載波信號(hào)和+1階邊帶被保留，它們被作為之后兩個(gè)OFC產(chǎn)生器的兩個(gè)載波信號(hào)。圖中，DCb表示D-MZM的直流偏置點(diǎn)；DP-MZMx和DP-MZMy分別表示兩個(gè)支路(上支路x和下支路y)上的DP-MZM；DCb,x1～DCb,x3是DP-MZMx中的3個(gè)直流偏置點(diǎn)；DCb,y1～DCb,y3是DP-MZMy中的3個(gè)直流偏置點(diǎn)。

Fig.3　Simulation setup of multiband frequency conversion scheme

FBG的中心波長(zhǎng)也設(shè)置為1552.52nm，因此，光信號(hào)通過環(huán)形器之后，首先進(jìn)入到上支路的FBG中，由于波長(zhǎng)匹配，載波信號(hào)被反射到下支路，而+1階邊帶通過FBG，留在上支路中。之后，兩路的光信號(hào)分別進(jìn)入到兩個(gè)由DP-MZM組成的OFC產(chǎn)生器中。DP-MZM的消光比也設(shè)為20dB，半波電壓為4V。這種OFC產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)微波源和一個(gè)DP-MZM就能夠產(chǎn)生平坦的光頻梳[11]，從參考文獻(xiàn)[11]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該方法可以產(chǎn)生出具有7根光邊帶的光頻梳，平坦度小于1dB。雜散邊帶抑制比可達(dá)11dB。調(diào)整DP-MZM中的直流偏置點(diǎn)，設(shè)置為:ms=3.05,Vs=1.94Vπ,加在3個(gè)直流偏置點(diǎn)上的直流偏置電壓分別為Vb,1=0.63Vπ,Vb,2=0.92Vπ,Vb,3=0.73Vπ，可以得到具有7根邊帶的光頻梳。

在本次仿真中，兩個(gè)本振信號(hào)的頻率設(shè)置為fLO1=36GHz，fLO2=40GHz。經(jīng)過耦合器之后，該耦合信號(hào)被摻鉺光纖放大器(erbium-doped optical fiber amplifier，EDFA) 進(jìn)行功率放大，頻譜如圖4所示。

波分復(fù)用器中設(shè)置7個(gè)通頻帶，每個(gè)通頻帶的中心頻率分別設(shè)為192.966THz,193.006THz,193.046THz,193.086THz,193.126THz,193.166THz和193.206THz，帶寬均為36GHz。在波分復(fù)用器的作用下，系統(tǒng)濾出7對(duì)頻梳，通過光電探測(cè)器，可以得到7個(gè)不同頻率的微波信號(hào)，結(jié)果如圖5所示。

Fig.4Spectrum diagrams of OFC1and OFC2with frequency intervals of 36GHz, 40GHz respectively

從圖5中可以看出，15GHz(Ku波段)的信號(hào)可以被同時(shí)轉(zhuǎn)化成3GHz(S波段)，7GHz(C波段)，11GHz(X波段)，19GHz(K波段)，23GHz(K波段)和27GHz(Ka波段)的微波信號(hào)。轉(zhuǎn)化后的信噪比在28.83dB～29.99dB之間。

本方案中使用了3個(gè)調(diào)制器(1個(gè)D-MZM，2個(gè)DP-MZM)，共有7個(gè)直流偏置點(diǎn)，因此直流偏置點(diǎn)的漂移將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的輸出造成影響。為了衡量信號(hào)的變頻質(zhì)量，本文中研究了變頻效率的問題。變頻效率是衡量一個(gè)變頻系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，定義為輸出信號(hào)功率與輸入信號(hào)功率的比值。通過改變參量，使得直流偏置電壓的偏移原數(shù)值的-50%～50%。則系統(tǒng)的變頻效率如圖6所示。從圖中可以看出，隨著偏移量從-50%～50%變化，變頻效率先是處在一個(gè)平穩(wěn)的階段，保持在-22dB左右，之后便急劇下降。由此可以看出，直流偏置點(diǎn)的漂移對(duì)系統(tǒng)具有較大的影響。

Fig.5　Multi-band frequencies under different bands

Fig.6　The impact of DC bias drafting for onthe conversion efficiency

3　結(jié)　論

作者提出了一種基于雙光頻梳的多頻段變頻方法，能夠?qū)我活l率同時(shí)轉(zhuǎn)化成多個(gè)不同頻段的頻率,并通過仿真驗(yàn)證了其可行性。從仿真結(jié)果看，Ku波段的15GHz的頻率可變換成3GHz,7GHz,11GHz,19GHz,23GHz,27GHz，信噪比可達(dá)28.83dB～29.99dB。影響該系統(tǒng)變頻結(jié)果的主要因素是直流偏置點(diǎn)的漂移。